大力开发和利用以风电为代表的新能源,是破解当今时代能源环境问题的重要手段之一。然而,风能的随机性和间歇性为风电的安全高效利用带来挑战。一方面,风电出力的有限可控性不利于电网的安全稳定运行;另一方面,弃风和以抑制出力波动为代表的电网友好性要求对风电运营的经济、环境效益造成负面影响。随着风电机组额定容量的增大,风电机组大转动惯量特性使得运行效益与电网友好性的矛盾更加突出,系统控制难度更大。因此,针对不同风况环境,研究大惯量风电机组控制系统的优化问题,对于全面提高风电机组控制性能,兼顾风力发电的经济、环境效益和电网友好性,具有重要的理论意义和工程应用价值。提出了大惯量风力发电系统全风况灵活控制框架,从风速幅值和风速波动性两个角度着手,设计和验证了相应的优化控制解决方案。在额定风速以下区间有效兼顾风能利用效率和功率波动性的平衡;在额定风速附近及以上区间,抑制输出功率波动性和机械载荷。论文的主要工作如下:1、基于通用的风力发电系统数学模型,分析风电机组的转动惯量特性,包括转速特性以及转动惯量与风能利用效率、功率波动性关系;引入Gap metric理论提出风力发电系统非线性度量方法;基于系统特性分析,提出大惯量风力发电系统全风况灵活控制框架。2、在额定风速以下运行区间,分析转动惯量对传统最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制策略暂态过程的影响,通过设计电磁转矩补偿框架和动态梯度估计器,有效提高系统动态特性,优化MPPT风能利用效率。引入T-S模糊推理系统,提出计及波动性抑制的MPPT效率优化策略,并掉于小信号模型分析方法,验证了控制系统稳定性和动态特性。3、基于本文电磁转矩补偿枢架,设计多目标权重自适应的模型预测控制策略,动态平衡大转动惯量引起的风能利用效率与功率波动性矛盾,并现论验证了控制器的稳定性和动态特性。同经典预测控制相比,该拧制策略具有史好的稳定性。4、在额定风速以上区间,利用大惯量风电机组的转速特性,设计了基于半自由工况点的模型预测控制器,将传统定转速稳态工况点松弛为半自由稳态工况点集合,减少变桨动作,有效抑制出力波动性和机械载荷。提出控制时域非均匀分块化策略,降低在线优化问题规模,提高模型预测控制器单次循环内的求解速度。5、针对风电机组在额定风速附近的过渡区间存在功率跃变等问题,提出了基于事件驱动的无扰切换控制策略。定义了风速上穿越事件和下穿越事件,在额定风速附近建立动态过渡区域,风电机组在过渡区域按照动态向量轨迹平滑过渡到目标区域,实现控制系统在额定风速以上和以下区间切换暂态中的功率平滑输出。并通过理论分析验证了系统在切换过渡区域具有良好的稳定性和动态特性。